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Analytischer und messtechnischer Vergleich von zeit- und spannungsbasierten Auswerteverfahren für resistive Sensoren

Wagner, Stefan (2015):
Analytischer und messtechnischer Vergleich von zeit- und spannungsbasierten Auswerteverfahren für resistive Sensoren.
TU Darmstadt, Institut EMK / FG MuST, [Master Thesis]

Abstract

Das klassische Verfahren zur Auswertung resistiver Sensoren bestehend aus Wheatsto- ne’scher Messbrücke, Verstärker und Analog-Digital-Wandler ist heutzutage Stand der Tech- nik. Die Firma Acam-Messelectronic hat 2002 ein Verfahren entwickelt, bei dem mittels Mes- sung von Entladezeiten das Sensorsignal erfasst und verarbeitet werden kann. In der vorliegenden Arbeit wird eine vergleichende Messunsicherheitsbetrachtung dieser spannungs- und zeitbasierten Auswerteverfahren für resistive Sensoren durchgeführt. Die- ser findet auf Grundlage der DIN13005, einem Leitfaden zur Angabe der Unsicherheit beim Messen (GUM), statt. Dazu werden für beide Verfahren Modelle zur analytischen Betrach- tung ausgearbeitet. Diese Modelle beinhalten die relevanten Parameter die einen Einfluss auf die Messung einer relativen Widerstandsänderung r ausüben. Anhand der beiden Hardware- ausführungen ADS1220 für das spannungs- und PS09 für das zeitbasierte Verfahren werden die Modelle verglichen. Die mit Hilfe von Matlab erzeugten Simulationsergebnisse lassen für den ADS1220 eine relativ ungenaue Messung (Abweichung > 0,143% ) aber geringe Streu- ung erwarten. Dagegen zeigen die Ergebnisse beim PS09 eine im Mittel genauere Messung, aber eine größere Messunsicherheit. Diese lässt sich durch Mittelung verringern. Der PS09 hat gegenüber dem ADS1220 eine schnellere Wandlungszeit pro Messwert. Trotzdem wird unter Vorraussetzung der gleichen Gesamtmesszeit die Messunsicherheit nicht kleiner als beim ADS1220. Zur Überprüfung der Modelle wird ein Messplatz aufgebaut. Dazu wird eine Messbrücke aus Präzisionstrimmern entworfen, um definierte Widerstandsänderungen zu erzeugen. Zum Vergleich der Verfahren wird mit einem Agilent 34420A eine Referenzmessung durchgeführt. Die Ergebnisse der Messungen für das spannungsbasierte Verfahren bestätigen im Wesentli- chen die Simulation, mit Ausnahme des Verhaltens des Erwartungswertes gegenüber unter- schiedlichen Messwiderstände. Das zeitbasierte Verfahren erzielt mit bis zu 7% Abweichung vom Referenzwert deutlich schlechtere Ergebnisse und kann das Modell in quantitativer Sicht nicht bestätigen. Weiterhin wird ein Vergleich der Temperaturkompensation einer Wheatstonebrücke bei bei- den Verfahren durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen die gleichen charakteristischen Eigen- schaften gegenüber Temperatureinflüssen. Das zeitbasierte Verfahren bietet jedoch eine dop- pelte Empfindlichkeit bei gleicher Anzahl von Messwiderständen.

Item Type: Master Thesis
Erschienen: 2015
Creators: Wagner, Stefan
Title: Analytischer und messtechnischer Vergleich von zeit- und spannungsbasierten Auswerteverfahren für resistive Sensoren
Language: German
Abstract:

Das klassische Verfahren zur Auswertung resistiver Sensoren bestehend aus Wheatsto- ne’scher Messbrücke, Verstärker und Analog-Digital-Wandler ist heutzutage Stand der Tech- nik. Die Firma Acam-Messelectronic hat 2002 ein Verfahren entwickelt, bei dem mittels Mes- sung von Entladezeiten das Sensorsignal erfasst und verarbeitet werden kann. In der vorliegenden Arbeit wird eine vergleichende Messunsicherheitsbetrachtung dieser spannungs- und zeitbasierten Auswerteverfahren für resistive Sensoren durchgeführt. Die- ser findet auf Grundlage der DIN13005, einem Leitfaden zur Angabe der Unsicherheit beim Messen (GUM), statt. Dazu werden für beide Verfahren Modelle zur analytischen Betrach- tung ausgearbeitet. Diese Modelle beinhalten die relevanten Parameter die einen Einfluss auf die Messung einer relativen Widerstandsänderung r ausüben. Anhand der beiden Hardware- ausführungen ADS1220 für das spannungs- und PS09 für das zeitbasierte Verfahren werden die Modelle verglichen. Die mit Hilfe von Matlab erzeugten Simulationsergebnisse lassen für den ADS1220 eine relativ ungenaue Messung (Abweichung > 0,143% ) aber geringe Streu- ung erwarten. Dagegen zeigen die Ergebnisse beim PS09 eine im Mittel genauere Messung, aber eine größere Messunsicherheit. Diese lässt sich durch Mittelung verringern. Der PS09 hat gegenüber dem ADS1220 eine schnellere Wandlungszeit pro Messwert. Trotzdem wird unter Vorraussetzung der gleichen Gesamtmesszeit die Messunsicherheit nicht kleiner als beim ADS1220. Zur Überprüfung der Modelle wird ein Messplatz aufgebaut. Dazu wird eine Messbrücke aus Präzisionstrimmern entworfen, um definierte Widerstandsänderungen zu erzeugen. Zum Vergleich der Verfahren wird mit einem Agilent 34420A eine Referenzmessung durchgeführt. Die Ergebnisse der Messungen für das spannungsbasierte Verfahren bestätigen im Wesentli- chen die Simulation, mit Ausnahme des Verhaltens des Erwartungswertes gegenüber unter- schiedlichen Messwiderstände. Das zeitbasierte Verfahren erzielt mit bis zu 7% Abweichung vom Referenzwert deutlich schlechtere Ergebnisse und kann das Modell in quantitativer Sicht nicht bestätigen. Weiterhin wird ein Vergleich der Temperaturkompensation einer Wheatstonebrücke bei bei- den Verfahren durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen die gleichen charakteristischen Eigen- schaften gegenüber Temperatureinflüssen. Das zeitbasierte Verfahren bietet jedoch eine dop- pelte Empfindlichkeit bei gleicher Anzahl von Messwiderständen.

Uncontrolled Keywords: Mikro- und Feinwerktechnik Elektromechanische Konstruktionen Sensorelektronik Messunsicherheit Signalverstärker DC-Präzisionsverstärker A/D Wandler A/D Wandler Sigma-Delta Sigma-Delta-Wandler
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design > Measurement and Sensor Technology
Date Deposited: 22 Jun 2015 08:33
Additional Information:

Lagerort Dokument: Archiv Institut EMK. Anfrage über Sekretariate

Bibliotheks-Siegel: 17/24 EMKM 1875 Art der Arbeit: Masterarbeit

Beginn Datum: 29-09-2014 Ende Datum: 27-03-2015

Identification Number: 17/24 EMKM1875
Referees: Werthschützky, Prof. Roland
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